基于VMC2060與VCM-158加工中心的FPT橋殼柔性加工液壓夾具設計與研究

摘要：本文對FPT（菲亞特動力科技）橋殼柔性加工液壓夾具的設計進行了研究，分析了FPT橋殼柔性加工工藝和VMC2060與VCM-H58加工中心性能，設計了一種提高工作效率、降低勞動強度、實現柔性加工的FPT橋殼加工液壓夾具。該夾具經過一年多的運行，較先前的加工方式，提高了工件加工精度，加工尺寸穩定可靠，工序合格率100%，生產效率是使用以前夾具的1.5倍以上。

關鍵詞：自由度；定位；液壓夾具；夾緊

中圖分類號：U463 DOI：10.20042/j.cnki.1009-4903.2023.03.005

0引言

重型商用車中、后橋殼的機加工質量是保證驅動橋總成裝配質量的關鍵重要因素之一，受到公司設計、工藝、質量部門的高度重視。過去，在加工該中、后橋殼上推力桿及制動分室支座的連接端面及定位、螺栓連接孔，以及加工兩端連接鋼板彈簧用的定位銷孔和騎馬螺栓連接孔或板簧滑板座連接用孔、定位孔及上下端面時，所使用的夾具都是手動找正夾緊方式，，橋殼加工平面精度及孔加工精度全靠操作者的經驗保證，且加工過程中橋殼的軸向移動自由度僅靠夾具一端限位，如果橋殼夾持力不足夠大，工件加工過程中必定會向未限位的一端移動，而軸向回轉自由度的限位由操作者手動調節夾具上調節支承保證，使得橋殼在加工過程中由于夾具震動或調節支承調節不到位等原因，產生軸向回轉偏移，從而使平面和孔加工質量下降。另外，操作者每加工一件橋殼，需要仔細將橋殼一端靠緊軸向定位塊，手動找正工件加工平面的定位基準后通過手動調整調節支承進行固定，左右來回手動擰緊翻轉壓板將橋殼夾緊，夾具方面的橋殼加工質量的穩定性主要依靠該夾持力實現。由此可見目前的生產方式，工人勞動強度大，效率低，加工質量不高，急需對該工序所用夾具進行改進提升以滿足大規模多品種生產需要。文章基于VMC2060與VCM-158加工中心針對汽車中、后橋殼的本次工序設計要求，引出滿足本工序加工要求所需的定位組件、夾持組件、工件舉升與回轉、液壓系統等，并對每個單元逐一進行分析說明。

1工序設計分析

1.1工序設計

FPT驅動橋殼工序圖圖1所示。

1.2工序目的

從工序圖圖1中分析，該工序總共需要完成4種橋殼的加工，橋殼的2法蘭間距分別為1323 mm、1350 mm、1366 mm（其中2種橋殼長度一樣），主視圖所示的橋殼上平面①-②和下平面③-④中的2-20定位孔間距都為1035*0.5 mm，其中3種橋殼的法蘭外圓尺寸均為220，另一種橋殼的法蘭外圓尺寸為250橋殼以兩端法蘭外圓定位，限制橋殼的4個自由度，分別是Z軸的移動和轉動自由度、Y軸的移動和轉動自由度，同時確保2定位法蘭公共軸心線水平，以右端法蘭的右側面限制X軸的移動自由度，X軸的轉動自由度由橋殼下平面（主視圖所示）③-④限制。從工序的三視圖不難理解，平面①、②共面，平面③、④共面，平面①-②與平面③-④平行且水平，兩平行平面與鉛垂面⑤垂直。工件圖示定位完成，以液壓力推動壓板對兩端法蘭外圓上端面實現壓緊后，首先完成工件上平面①-②的加工，然后加工俯視圖所示除8-24通孔外所有孔系并保證相應位置度和精度要求。工件上端面及孔系加工完成后，液壓夾持退出，工件在舉升機構的作用下向上舉升到設定位置，然后繞工件公共軸心線A-B旋轉180°，然后工件下降到設定位置，以平面①-②限制工件在×軸上的轉動自由度，其余5個自由度的限制方式與前述定位一致，工件完全定位后液壓夾持機構啟動完成對工件的夾持，然后實現對工件8-24通孔及M22x1.5螺孔的加工并保證相應精度要求。

2工件定位

2.1工件的定位方式

工件定位精度直接影響到工件加工質量，為此，工件在加工前，必須保證工件6個自由度被完全限制，同時確保所有工件重復定位誤差在控制范圍內。從上述工序圖不難看出，工件以兩端220（或205）法蘭的公共軸線限制工件的4個自由度，為此，我們不難想到限制該4個自由度所采用的限位方式為兩端各使用1個V形定位塊，根據工件相關加工孔系的位置度要求結合工件定位尺寸公差，可以確定得到該2個V形定位塊的220（或205）測量棒外圓不同軸度允差不大于0.02 mm，同時保證公共軸心線與水平面的不行度不大于0.02 mm，從工序圖主視圖可見，由于不同橋殼其兩端法蘭外端面間距是不相同的，所以，工件2定位V形塊間距必須根據所加工橋殼的對應參數而能作相應調整。工件軸向（X方向）移動自由度的限位只需1個限位釘或限位塊即可，根據橋殼的結構特點，選擇采用定位塊實現對工件右側法蘭外端面限位，同時保證該定位件的鉛垂定位面與2個V形定位塊220（或205）的公共軸心線不垂直度不大于0.01mm，為確保定位穩定可靠，該軸向定位塊必須與右側V形塊通過螺釘剛性連接。為了使工件可靠地與軸向定位塊接觸，保證工件定位準確，必須在工件軸向左端施加一個沿工件軸向向右的推力，實現工件定位加工時啟動，加工完成后自動解除。

從工序圖中分析，加工面①、②與定位面③-④平行，所有加工孔系均與所在平面垂直，因此，定位面③-④只限制X軸向的轉動自由度是不夠的，必須在限制X軸向轉動自由度的同時保證該定位面③-④與水平面平行，為此，該工件的關鍵點是采用一個機構，既能限制工件的軸向轉動自由度也能保證工件定位面③-④處于水平狀態，要實現定位面③-④處于水平狀態，采用剛性定位平面對工件③-④平面進行定位是可以實現的，但是，由于工件已經使用2個V形定位塊實現了對工件4個自由度的限制，而剛性定位平面對工件限制了3個自由度，使工件在Z軸向的移動自由度和Y軸向的轉動自由度出現了過定位而導致定位不準。如果將工件③-④平面的平面定位塊采用鉛垂方向可以上下移動，定位塊的定位面始終保持水平就可以達到滿意的定位效果。由于工件外形不規則，要實現對工件工件③-④平面的定位，必須克服工件自重對工件定位軸線方向的轉矩同時滿足工件在v形塊上的精確定位，因此工件③-④平面定位塊在鉛垂方向上的向下移動阻力既要小于工件自重又要大于工件自重對軸線的轉矩力。

工件所有6個自由度被完全限制后，由于工件③-④平面的定位機構不是剛性定位，工件加工過程中由于切削力矩的作用，可能使定位失效，因此必須在工件定位夾持完成后再對工件③-④平面增加4個液壓輔助支承，每個輔助支承距離工件軸心線的距離及支撐力的大小必須通過計算并考慮安全系數而確定。

3工件夾持

3.1工件夾持組件結構

工件夾持結構如圖3所示。

3.2工件夾持方式和夾持力

本工裝夾持力源于液壓能轉換為機械能的方式，針對工件的結構特點、工件的定位部位、加工位置關系方面考慮，工件重量在152-195 kg，體積比較大，工件轉運時需要借助行車才能進行起吊，因此，夾具正上方必須要留有足夠的空間以滿足工件起吊進出夾具，工件的夾持受力點在工件兩端的法蘭外圓柱面上，為保證工件進出夾具方便安全，夾具的夾持機構共兩組，采用浮動式V形壓塊的V形面對工件法蘭外圓柱面施加夾持力，浮動式V形壓塊通過圓柱銷與杠桿中的弧形槽配合一起，杠桿的另一端通過鉸鏈組件、內螺紋鉸鏈支座與液壓油缸的活塞桿的外螺紋連接并可調，油缸的另一端通過螺釘與夾具底座剛性連接，杠桿的中部通過鉸鏈組件與搖臂連接，搖臂下端通過鉸鏈組件與鉸鏈座連接，鉸鏈座通過螺釘與夾具底座剛性連接，工件夾持之前，液壓油缸活塞桿縮回油缸，在搖臂的限位作用下，迫使杠桿跟浮動V形壓塊一起離開V形定位組件中的V形槽，給工件讓出足夠的空間從而保證工件起吊順利，進出夾具方便快捷，浮動式V形壓塊可以滿足多種外圓尺寸法蘭的夾持需要。

文中所述夾具中的輔助支承組件在工件加工過程中抵御工件繞軸線（X軸）轉動，單個輔助支承缸安全支承力為420 kgf（按輔助支承缸最大耐受力7 MPa計算），考慮液壓系統長時間運行會出現液壓力衰減或波動現象，輔助支承缸安全支承力必須在理論支承力的基礎上乘上一個矯正系數0.6-0.7，本文計算取矯正系數為0.6，由于工件結構特點，夾具輔助支承缸受力支撐點距工件回轉中心（X軸）97 mm，每次加工過程中有4個輔助支承缸同時作用于工件平面定位兩側，共分2組以工件軸線（X軸）對稱分布，2組油缸承載的工件扭矩大小相等方向相反，扭矩大小為T'=798.5Nm。考慮工件加工過程中出現沖擊載荷的可能性，實際計算工件夾持力時需要將切削扭矩乘一個安全系K1K的取值范圍在1.5-3.0之間，本文中K=1.5，因此，計算用切削扭矩M1=KT=1.5x655 Nm=982.5 Nm，減去輔助支承缸承受的扭矩T'后，M=Mt-T'=184 Nm。工件夾持力W計算如下：

N-單個輔助支承缸安全支承力（kgf），取420 kgf；

t-活動式平面定位機構彈簧支承力（kgf）取60 kgf；

G-工件重量（kgf），取152 kgf；

將所有取值代入上式可得，W=3 127.5 kgf。代人數據計算，W=工件夾持組件共分2組分別對應于工件兩端法蘭，因此，工件單個法蘭所需夾持力為W÷2=1 563.75 kgf，考慮油路系統的不穩定和衰減因素，工件實際單個法蘭所需夾持力設定值為1 563.75÷0.6=2 606.25 kgf，依據夾持婦件結構所設計的尺寸參數（見圖4），取油缸缸徑80 mm，油缸行程150 mm，設定油壓7Mpa即可滿足工件進出夾具方便，加工過程安全、穩定、可靠。

4工件舉升與工件回轉

工件定位、夾持完成后便進入工件加工階段，加工完成后，如果工件需要繞軸線（X軸）回轉1800然后再定位夾緊加工另一面，此時就必須使用升降機構來實現對工件的回轉和再定位。下面就工件的升降與回轉作一個簡要分析說明：

舉升機構分左右2部分，2部分結構除連接板稍許不同外，其余組成零件完全相同，左右2部分的V形測量棒軸心線在夾具中處于同軸狀態，圖4為右側舉升機構，由斜面支承塊、鉸鏈組件、滑塊、連接板、限位板、舉升油缸、U形塊、雙頭螺栓婦件等部分組成。

2件斜面支承板通過鉸鏈組件與滑塊連接組成一個120°角度的V形定位組件，工件兩端的140 mm外圓柱面分別擱置在左右舉升機構中的120°角度的V形定位面上，滑塊被限制在由U形塊、限位板構成的矩形孔中，除了可以上下移動外，其余自由度被完全限制。U形塊與限位板通過連接螺釘牢固地連接一起，連接板通過連接螺釘分別與V形定位組件中的V形塊（圖3所示）和U形塊連接。滑塊通過雙頭螺栓組件與舉升油缸連接，調節雙頭螺栓可以調節滑塊與舉升油缸的高度距離，調節完成后通過鎖緊螺母鎖定。舉升油缸通過油管接頭與高壓油管連接從而獲得液壓力推動與其連接的滑塊作上下運動。

工件加工結束后，夾具左側的轉角軸向推力油缸動作，活塞桿帶動軸向壓緊件向左退回到設定位置并停止，與此同時，舉升油缸獲得液壓力將滑塊向上推送到設定位置后，與滑塊連接構成的120°角度的V形定位組件將工件托舉，此時，工件在重力矩的作用下繞工件軸線旋轉到一定角度后停止，操作者通過專門的平衡力杠將工件轉動到使工件定位平面大致水平狀態并保持，控制舉升缸電磁換向閥動作，工件在舉升作用下緩慢下降直到設定位置，此過程中，工件定位平面逐漸與浮動式定位平面接觸，在工件自重和浮動式平面定位組件的彈力相互作用下工件定位面自動水平找正，同時工件繼續下降直到工件兩端法蘭外圓柱面被夾具兩端的V形定位組件的V形面完全限制而終止，從而完成工件的180°翻轉并再定位。

5液壓系統

液壓系統是整個夾具系統運行的動力保證，其設計的合理性直接關系到整個夾具運行的安全穩定。由圖5可知，本液壓系統由高壓油輸出與回收系統、油路板、轉角油缸、舉升油缸、夾持油缸、輔助支承缸、順序閥、系統保護回路、轉角油缸供油回路、舉升缸供油回路、夾持油缸及輔助支承缸供油回路等部分組成。其中高壓油輸出與回收系統形成高壓油，保證油壓穩定在10 MPa，液體流量32 L/min，油路板實現系統結構緊湊，運行穩定可靠，轉角油缸共計一個，自帶速度調節機構，轉角油缸的運行速度可通過自帶調速機構或供油回路的節流閥實現調節，其所需油壓的大小可在其供油回路中的減壓閥調節，與轉角油缸供油回路連接，在PLC控制信號的作用下，完成工件軸向推力組件對工件的軸向定位與壓緊或解除，舉升缸與其供油回路連接，在PLC控制信號的作用下，完成工件的舉升、回轉和再定位，其運行速度和舉升力的大小可通過其供油回路中的調速閥和減壓閥實現調節。夾持油缸和輔助支承缸與其供油回路、順序閥有序連接，在控制信號的作用下，實現工件夾持后順序進行工件的平面輔助定位或軸向{X軸）回轉輔助定位或者解除，其運行速度、夾持力、輔助支承力的大小可通過供油回路的節流閥和減壓閥的調節實現，其中輔助支承缸動作滯后夾持缸動作的時間可通過順序閥的調節實現，本系統由于輔助支承缸所承受的最大壓力為7 MPa，所以夾持油缸獲得的最大壓力也不超過7 MPa，根據本文中的相關計算，夾持油缸所需的液壓力在7 MPa已經滿足要求，超過7 MPa的運行環境，夾持機構中相關部件將會加速疲勞破壞，所以夾持系統只需保證7 MPa的液壓力供應就能安全穩定地工作。系統保護回路確保在空載情況下避免高壓油對系統的破壞。

6夾具整體布置及其運行

通過調整兩杠桿式壓板間的相對位置和調整更換相關輔助支承銷，能滿足4種中、后橋殼的銑、鉆加工要求，

通過變換定向釘及與機床的聯接螺釘組件，可在立式加工中心VCM2060（T形槽寬18 mm）、YCM-158B（T形槽寬22mm）使用。

7結束語

該液壓夾具顯著降低了工人勞動強度，單件加工節約工時198 s，勞動生產效率是以前手動夾具的1.6倍，按年產量20萬根橋殼，單位勞動力成本30元／h，單位能耗、油輔料、管理費用50元／h計算，每年可節約相關費用88萬元。經過3個月的生產運行，夾具運行良好，無任何故障，工件機加工精度完全達到工藝設計要求且穩定可靠，較以前的加工方式，工件的加工質量得到了顯著提高。

（責任編輯：劉海帆）